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用于囚禁离子光寻址的光栅耦合器的设计与制作
量子计算利用量子比特的量子现象（叠加和纠缠）执行复杂的计算任务 [4]。在过去的几十年中，各种各样的量子比特已经被实现，包括超导量子比特 [2]，[5]，半导体量子点 [6]，[7] 和捕获离子量子比特 [8]。在上述量子比特中，捕获离子量子比特因其在量子纠缠中的高保真度而备受关注，因为捕获离子本质上是相同的 [9]。为了将捕获离子量子比特应用于量子计算设备，霍尼韦尔将 QCCD（量子电荷耦合器件）架构实现到可编程捕获离子量子计算机中。在 QCCD 中，捕获离子量子计算机可以通过将离子阱与用于量子比特光学寻址的光电元件集成到一个紧凑的独立设备中来实现。据报道，QCCD 实现了 2 4 的量子体积测量，并且几乎不存在串扰 [10]。
利用压缩声子进行囚禁离子量子信息处理
囚禁离子为量子计算和模拟提供了一个完美的平台，但提高它们的相干性仍然是一个关键挑战。本文，我们提出并分析了一种通过参数放大离子运动来增强囚禁离子系统中相干相互作用的新策略——通过挤压集体运动模式（声子），它们介导的自旋-自旋相互作用可以得到显著增强。我们通过展示它如何增强对量子计量有用的集体自旋态，以及如何提高多离子系统中双量子比特门的速度和保真度来说明这种方法的强大功能，这是可扩展囚禁离子量子计算的重要组成部分。我们的结果也与许多其他由玻色子介导自旋相互作用的物理平台直接相关。
利用压缩声子进行囚禁离子量子信息处理
囚禁离子为量子计算和模拟提供了一个完美的平台，但提高它们的相干性仍然是一个关键挑战。本文，我们提出并分析了一种通过参数放大离子运动来增强囚禁离子系统中相干相互作用的新策略——通过挤压集体运动模式（声子），它们介导的自旋-自旋相互作用可以得到显著增强。我们通过展示它如何增强对量子计量有用的集体自旋态，以及如何提高多离子系统中双量子比特门的速度和保真度来说明这种方法的强大功能，这是可扩展囚禁离子量子计算的重要组成部分。我们的结果也与许多其他由玻色子介导自旋相互作用的物理平台直接相关。
用于囚禁离子量子系统的集成偏振多样化光栅发射器
离子阱系统具有较长的相干时间和较强的离子间相互作用，可实现高保真度的双量子比特门，是一种很有前途的量子信息处理方式 [1]。目前，大多数实现都由复杂的自由空间光学系统组成，其较大的尺寸以及对振动和漂移的敏感性会限制离子阵列的保真度和可寻址性，从而阻碍向大量量子比特的扩展。最近，基于集成光子学的设备和系统已被证明是解决这些挑战的一种途径 [2,3]。到目前为止，这些先前的集成演示仅限于使用单一线性偏振光（特别是横向电场 (TE)）进行操作，该偏振光名义上与离子阱芯片表面平行。然而，不同的偏振对于实现先进的离子阱系统的许多操作至关重要 [4]，这引起了人们对开发偏振多样化发射器的兴趣 [5,6]。例如，基于集成光子学的架构涉及 TE 和横磁 (TM) 偏振光（如图 1a 中的配置），对于实现先进的离子冷却方案必不可少，这种方案可在几种非简并陷阱振动模式下提供亚多普勒温度，例如偏振梯度冷却和电磁诱导透明冷却 [4]。在本文中，我们设计并通过实验演示了一对集成的 TE 和 TM 发射光栅，工作波长为 422 nm，对应于 88 Sr + 离子的 5 2 S 1/2 到 5 2 P 1/2 跃迁，这是离子控制的关键跃迁。我们实施了一种自定义的优化设计算法，以实现发射单向聚焦光束的双层、切趾和曲面光栅，实验测量的光斑尺寸为 TE 光栅 7.6 μm × 4.3 μm，TM 光栅 5.0 μm × 3.6 μm，目标离子高度距芯片表面 50 μm。据我们所知，这项工作代表了用于捕获离子系统的集成 TM 发射光栅的首次开发，因此，它为基于集成光子学的捕获离子量子系统涉及多个极化的高级操作奠定了基础。
全局连接的囚禁离子量子计算机的高效量子比特路由
在嘈杂的中型量子 (NISQ) 设备中实现连接的成本是决定计算能力的重要因素。创建了一种量子比特路由算法，该算法可以在先前提出的捕获离子量子计算架构中实现高效的全局连接。该路由算法的特点是与严格下限和基于位置交换的路由算法进行比较。提出了一种误差模型，该模型可用于估计设备可实现的电路深度和量子体积作为实验参数的函数。一种基于量子体积但具有原生双量子比特门的新度量标准用于评估相对于自由、全部到全部连接的上限的连接成本。该度量标准还用于评估方格超导设备。对这两种架构进行了比较，发现对于所使用的穿梭参数，捕获离子设计与连接相关的成本要低得多。
全局连接的囚禁离子量子计算机的高效量子比特路由
在嘈杂的中型量子 (NISQ) 设备中实现连接的成本是决定计算能力的重要因素。创建了一种量子比特路由算法，该算法可以在先前提出的捕获离子量子计算架构中实现高效的全局连接。该路由算法的特点是与严格下限和基于位置交换的路由算法进行比较。提出了一种误差模型，该模型可用于估计设备可实现的电路深度和量子体积作为实验参数的函数。一种基于量子体积但具有原生双量子比特门的新度量标准用于评估相对于自由、全部到全部连接的上限的连接成本。该度量标准还用于评估方格超导设备。对这两种架构进行了比较，发现对于所使用的穿梭参数，捕获离子设计与连接相关的成本要低得多。
用于 Yb/Ba 囚禁离子量子计算机的稳定交钥匙激光系统
I. 引言 囚禁离子是量子信息科学技术以及量子计算的主要平台 [1]。该平台具有高保真量子门 [2, 3, 4, 5, 6]、量子比特之间更广泛的连接性[7, 8]以及实现容错量子计算的潜力 [9, 10, 11]。随着量子比特和门数量的增加，系统的精确控制变得更加复杂，采取稳定和工程化的方法至关重要 [12, 13]。在量子计算的背景下，组件的可靠性减少了所需校准量并提高了数据收集的占空比[7, 14, 15]。操纵和控制囚禁离子量子比特依赖于多束激光与离子相互作用，因此可靠的光源是基于囚禁离子的量子计算机的关键部分。合适的激光系统应提供多种颜色的光，这些光不仅能够抵抗错位和机械振动，而且能够很好地稳定在感兴趣的原子跃迁频率上。任何空间或光谱不匹配都可能导致量子计算操作失败，这不仅是因为量子比特状态控制中的错误，还因为离子加载和冷却效率低下，这会增加实验的占空比。尽管构建这些光学系统的技术
具有稳健纠缠门和量子相干反馈的囚禁离子量子计算机
量子计算机有望在解决一系列计算问题时比传统计算机实现显著的加速。线性 Paul 阱中保持的离子链是构建此类量子计算机的有前途的平台，因为它们具有较长的相干时间和较高的控制质量。本文，我们报告了使用射频 (rf) 阱中的 88 Sr + 离子构建小型五量子比特通用量子计算机的情况。所有基本操作（包括初始化、量子逻辑操作和读出）均以高保真度执行。使用窄线宽激光实现的选择性双量子比特和单量子比特门组成通用门组，允许在量子寄存器上实现任何幺正。我们回顾了主要的实验工具，并详细描述了计算机的独特方面：使用强大的纠缠门和通过电子倍增 CCD 相机采集开发量子相干反馈系统。后者对于在未来的实验中执行量子纠错协议是必要的。
捕获离子的光学钟
寻找更精确、更准确的频率标准在基础科学、精密测量和技术应用的发展中发挥着关键作用。如今，光学钟的不确定度已达到 10 − 18 及以下。本博士论文主要研究囚禁离子光学钟的研发和特性。介绍了两种不同的囚禁离子钟：一种带有单个 40 Ca + 离子，另一种带有 40 Ca + / 27 Al + 混合离子晶体。论文首先概述了操作和表征囚禁离子钟所需的理论基础，并描述了实验装置。接下来是三个主要项目的成果：第一个项目以德国联邦物理技术研究院 UTC（PTB）的 4 s 2 S 1/2 ↔ 3 d 2 D 5/2 40 Ca + 钟跃迁相对于协调世界时的绝对频率测量为中心。为了进行这项测量，我们在因斯布鲁克的实验室和 PTB 的时钟之间建立了一个链接，并使用全球导航卫星系统 GNSS 进行了特性分析。我们的时钟和 PTB 的时钟之间的比较是使用精密单点定位 ( PPP ) 技术进行的。从 16 日到 25 日，进行了为期十天的活动